[发明专利]氧化锆基陶瓷复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种氧化锆基陶瓷复合材料的制备方法，包括步骤：先将氧化锆粉体和CBN纳米粉体均匀混合得到混合粉料，然后对所述混合粉料进行等离子烧结处理即可，其中，以100份质量份计算，所述氧化锆粉体和CBN纳米粉体的质量比为(90～98.5):(1.5～10)。通过上述方法使得制备出的氧化锆基陶瓷复合材料实现在氧化锆基体材料中加入少量纳米立方氮化硼，达到硬质点弥散强化目的，从而提高了氧化锆陶瓷的硬度和韧性。同时，在放电等离子烧结过程CBN颗粒与氧化锆粉体发生界面反应，生成ZrN和ZrB₂，增加了晶界结合力，强化了晶界，提高材料致密度和强度。本发明还提供了一种氧化锆基陶瓷复合材料及其应用。

技术领域

本发明属于陶瓷刀具技术领域，具体的涉及一种氧化锆基陶瓷复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

陶瓷刀具材料具有高的硬度和耐磨性、良好的高温性能、与金属的亲和作用小，而且不易与金属发生黏结，化学稳定性好，使其在机械、电子、石油、化工、精密仪器，医疗器械和生物工程等行业有着非常广泛的应用。氧化锆陶瓷材料已被制成陶瓷刀具、人造牙齿、球磨介质、耐磨零器件、医疗刀具材料等。氧化锆陶瓷材料除了具有上述优点外，还具有无磁、无静电、寿命长、精度高、生物相容性好等特点。所以，氧化锆陶瓷具有的独特物理性质和良好的力学性能，使其在功能陶瓷和结构陶瓷领域都具有重要的研究意义。

氧化锆陶瓷的化学键主要为离子键，不同于金属材料中的金属键。氧化锆材料在受较大冲击力作用时，由于离子键强度高、断键困难，造成位错的滑移困难，而且离子键破坏后难以很难重新结合；如此造成了氧化锆陶瓷的本征脆性。所以，氧化锆陶瓷材料往往表现出脆性高、韧性差的特点，使其难以发生塑形变形，严重限制了氧化锆陶瓷材料在结构陶瓷构件方面的应用。同时氧化锆陶瓷材料具有不同于金属材料的晶体结构，一旦材料内部萌生微小裂纹时，裂纹就会迅速扩展，使材料发生脆性断裂，从而严重影响材料使用的安全性，也影响耐磨刀具、耐磨零器件、医疗刀具材料等氧化锆器件的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种氧化锆基陶瓷复合材料及其制备方法和应用，以解决上述问题。

本发明一种氧化锆基陶瓷复合材料的制备方法，包括步骤：先将氧化锆粉体和CBN纳米粉体均匀混合得到混合粉料，然后对所述混合粉料进行等离子烧结处理即可，其中，以100份质量份计算，所述氧化锆粉体和CBN纳米粉体的质量比为(90～98.5) : (1.5～10)。

基于上述制备方法，所述氧化锆粉体的粒度为1～5 μm，该粒度氧化锆粉体粒径小、分布窄、形貌好、分布均匀，烧结陶瓷显微结构均匀，强度与韧性相对较好。所述CBN纳米粉体的粒度小于等于50 nm，如此，利用纳米尺寸的CBN具有小的尺寸效应和界面的无序性，有利于实现降低氧化锆陶瓷的脆性，提高了刀具表面的光洁度。

基于上述制备方法，得到所述混合粉料的步骤方法包括：将所述氧化锆粉体和CBN纳米粉体进行高能球磨处理即可得到混合均匀的所述混合粉料。该步骤也可以采用其它的常规混料方法，只要将氧化锆粉体和CBN纳米粉体两种粉体混合均匀即可。

基于上述制备方法，所述等离子体烧结处理的步骤包括：先将所述混合粉料进行预压，再进行放电等离子体烧结，其中，烧结压力为50～80 MPa，烧结温度为1300～1500℃，保温时间30～50 min。该步骤中进行预压处理的目的是为了预成型和提高粉体致密度，有利于烧结体成型和致密度的提高。另外，该步骤采用放电等离子烧结通过放电所产生的电冲击波和电子可以净化和活化粉末颗粒的表面，高频、不连续的电流在粉末颗粒接触时产生大量的焦耳热，还可在未接触的部位内产生放电热，从而促进颗粒的扩散，实现粉末的快速烧结，缩短烧结时间，提高效率、节约能源，可得到显微组织均匀、力学性能优异、高致密的烧结体。

本发明还提供一种由上述方法制备的氧化锆基陶瓷复合材料，包括：氧化锆基体、均匀分散在氧化锆基体中的立方氮化硼颗粒和包覆在所述立方氮化硼颗粒表面的ZrN和ZrB₂。